高等燃烧学讲义第16章(郑洪涛2学时).pptx

高等燃烧学 第十六章 爆震燃烧 主讲人：郑洪涛;第十六章 爆震燃烧;爆震是一种由燃烧释放的能量维持的激波。而燃烧过程本身又是由激波的压缩产生的高温而引起的。 在一个无限长的单面开口的管子中充入可燃混合物，并在封闭端点燃，则火焰经过一段距离的传播就会变为爆震。 在这种情况下，由于火焰与封闭端之间燃烧产物的膨胀，导致在封闭端开始燃烧的火焰在混合物中加速传播，使得在燃烧区域的前方形成超声速传播的激波。 如图16.1所示是包含爆震波的控制体积。以实验装置为参照系，爆震波由右向左传播。;爆震波上、下游特性的定性差异和普通正激波上、下游物性参数的差异基本类似。最大的不同在于正激波下游流速通常为亚声速，而爆震波下游的流速则总是等于当地声速。 为定量地比较正激波(无燃烧)、爆震波和缓燃波，表16.1给出了三种波的马赫数和各种参数的比值。 从表16.1可以看到，正激波的各参数比值与爆震波的类似，而且具有相同的数量级。;爆震波上游速度大于声速，下游的速度等于当地声速。 缓燃波下游的马赫数要高于上游，沿着火焰区速度剧烈增加，但密度却显著减小。缓燃波的这些变化趋势与正激波、爆震波的趋势恰恰相反。 另一个显著的不同是，缓燃燃烧(普通火焰)中压力几乎是常数(实际上略有减小)，而爆震燃烧的主要特性之一就是下游区的高压。 爆震波、缓燃波和正激波唯一共同的特点是波后温度都升高很多。;爆震燃烧有着明显的三维结构特征，一维分析非常必要。 1899 年查普曼(Chapman)第一次试图解释爆震燃烧时用的就是一维模型，这一理论直至今日依然十分有效。 如果所选择的控制体(图16.1)上、下游的边界上都没有温度或组分浓度梯度，则对于下面要进行的相对严格的一维分析只需要如下假设： (1) 一维、稳定流; (2) 面积恒定; (3) 理想气体; (4) 所有比热容相等且恒定; (5) 忽略体积力; (6) 绝热(对环境无热损失)。 这些假设与正激波一维分析的假设是一样的。;?;将上式(16.5)代入能量守恒方程式(16.3)中，得： 式中括号里边的数值表示单位质量混合物燃烧产生的热量。按照文献中经常出现的定义，用下述公式来表示加热量: 这种表示方法使得能量方程的形式类似于在可压缩气体动力学中的表示方法，即 上面公式中出现的释热量q 表征了混合物的性质，它的大小取决于燃料和氧化剂的种类以及混合程度，即当量比Φ。 4. 状态方程 根据理想气体的假设，则有：P=ρRT 方程组封闭。;1. 瑞利线 联立连续性方程和动量守恒方程，可得如下关系式: 当质量流量一定时，固定P1和v1，用上式可以画出压力P 与比容积v的瑞利线。其斜率和截距分别为： ;2. 兰金-雨贡纽(Rankine-Hugoniot)曲线 联立连续方程、动量方程和能量方程，并代入状态方程，可得如下兰金-雨贡纽方程: ;4 条瑞利边界线(A-D、A-B、A-C、A-E)将雨贡纽曲线分为了5个区域，各区的物理特性如表16.2所示。 上C-J点以上称为强爆震区。获得强爆震燃烧十分困难。 在D和B点之间是弱爆震区。弱爆震区也需要很特殊的条件(如反应速率要很快)才能实现。 虽然真正的爆震不会是一维的，但是上C-J点的条件与真实的爆震燃烧却很接近。可以看出，在上C-J点上，相对于爆震波传播的已燃气体的速度达到了声速。;雨贡纽曲线上，C点以下的点代表一维火焰已燃气体的状态点。可以发现： ①压力略低于未燃气体，通过火焰后压力会有所下降。 ②已燃气体的状态都在C 点下方。因为瑞利线A-C是水平的，气体流速为0，包括C 点在物理上无法实现。 典型的碳氢化合物-空气预混火焰速度一般都小于1m/s。因此，这种火焰的质量通量会非常小。化学当量下甲烷-空气(298K)预混常压火焰的质量通量为0.45kg/(s?m2)。 同样情况的爆震燃烧，质量通量大约在2000kg/(s?m2)左右。 例16.1 燃烧以3500kg/(s?m2)的质量通量传播，混合物初温为298K，压力为1atm。已燃和未燃混合物的摩尔质量和比热比分别为29.0kg/kmol和1.3，放热量为3.40×106J/kg。试确定已燃气体的状态(P2, v2)，并确定在瑞利-雨贡纽曲线上，这个点属于哪个区域？同时求出巳燃气体的马赫数。;解：如果已燃气体的状态在C 点以下，则结果一定是缓燃波。在给定的未燃状态和普通燃料下，3500kg/(s?m2)的通量值要远远大于缓燃的情况。 因此可以判定，最后的状态很有可能是在B 以上的点。 另外，除非最后的状态恰好在上C-J点，否则由于瑞利线总会与雨贡纽曲线有两个交点，这两个点都可能是最后状态。由瑞利方程得： 带入雨贡纽方程得 展开得到v2的二次方程，即： ;其中： 因为： 可以算出： ;所以： 用瑞利方程和两个比容积来确定压力，即 由v2=